基于PIN型硅光电二极管的激光偏振态探头

刘鹏，王书朋，李玲，孙博，赵海丽

（1.长春理工大学 空间光电技术研究所，长春 130022；2.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022；3.长春新产业光电技术有限公司，长春 130103）

基于PIN型硅光电二极管的激光偏振态探头

刘鹏1，王书朋2，李玲2，孙博3，赵海丽2

（1.长春理工大学 空间光电技术研究所，长春 130022；2.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022；3.长春新产业光电技术有限公司，长春 130103）

综合考虑了PIN型硅光电二极管的高灵敏性、高稳定性、高响应速度、小体积及低成本的优点，主要研究了基于PIN型硅光电二极管的光强探测电路在激光偏振态测量系统中的应用。采用Stockes参量测量的LCVR调制法，将光强探测电路和光学检偏系统封装在一起构成激光偏振态测量探头，探头以STM32F103为控制器通过USB协议实现数据在上位机与控制器之间的传输。利用该探头完成808nm激光的偏振态测量，实验结果显示该偏振态测量探头具有较高的测量精度，且该偏振态测量探头具有结构简单、测量精度高、体积小、人机交互便捷、操作简单的特点。

PIN型硅光电二极管；Stockes参量；偏振态；探头

PIN型硅光电二极管具有高灵敏性、高稳定性、高响应速度和低容性，被广泛应用于光电检测器件和其他测量分析性系统中。

激光偏振态测量系统，主要完成斯托克斯参量的相关测量和计算。而斯托克斯各参量是和光强相关的量，基于硅光电二极管的光强采集电路主要用来对通过光学检偏系统的计算分析得出该束激光所携带的偏振信息，光强采集电路的灵敏性、抗噪性及转换精度直接关系到所测量激光偏振信息的质量。

1 光波的偏振态描述

光波是一种频率很高的横向电磁波，它是具有方向的矢量波，光的偏振现象其实质就是光矢量在时间和空间中的变化，是光具有矢量性的表现。光沿z轴方向传播时，电场只在x、y方向有意义。平面波方程可以表示为:

式中，τ=ωt-kz，它在x，y，z三个方向的分量分别为:

经过化简消去τ后得:

式中，δ=δ2-δ1，式（3）的行列式系数为:

由此可知电场矢量顶端轨迹是一个椭圆，可以认为，每一时刻，沿光波传输方向，空间各点电场矢量末端在x，y平面的投影是一椭圆［1］，光学上称该种电磁波为椭圆偏振光，一般光学中讨论到的偏振情况主要有线偏振和圆偏振，这两种偏振情况是椭圆偏振的特殊个例。

当式（3）中δ=δ2-δ1=mπ(m=0,±1,…)时椭圆就转化成为直线，即线偏振。其表示式为:

若

因为斯托克斯参量可以描述完全非偏振光、部分偏振光和完全偏振光。因此，目前激光偏振态的检测大多是基于斯托克斯参量的四个元素计算来完成的，它可以表示为:

式中，S0与入射的总光强相关，且S0=1；S1是线偏振在0。，90。方向的光强差值，S2是线偏振在45°，135°方向的光强差，S3是左旋和右旋圆偏振光强差。

2 Stockes参量测量的LCVR调制法测量入射光偏振态

Stockes参量测量的LCVR调制法检测激光偏振态的原理如图1所示。LCVR是基于液晶的电控双折射特性制成的光学器件［3］，变化LCVR两端的电压即可控制光轴的指向，实现透射激光的延迟相位调节。激光光源发射一束激光，依次通过两片规格相同的液晶可变相位延迟器LCVR1和LCVR2，调整LCVR1和LCVR2的状态，使LCVR1的光轴垂直于分光棱镜，LCVR2的光轴和分光棱镜成45°，出射光再经过分光棱镜就分解为水平线偏振光和垂直线偏振光。由光强探测电路探测出两路光强值，根据Stockes参量计算公式即可得到该束激光的偏振信息。

（1）计算Stockes参量

Stockes各参量的计算公式为:

其中，IT、IR为初始探测的两路光强值，为改变LCVR相位延迟后的两路出射光强值。

（2）待测光的偏振态表征

入射光偏振态的计算公式:

（3）待测光的偏振度计算

入射光偏振度计算公式:

测量方法:测量S1时控制器通过D/A给液晶相位可变延迟器上电，调节LCVR1的相位延迟量为0，调节LCVR2的相位延迟量在0和λ/2间变化；同理，测量S2时调节LCVR1相位延迟量为λ/4，调节LCVR2的相位延迟量在λ/4和-λ/4间变化；同理，测量S3时调节LCVR1相位延迟量为0，调节LCVR2的相位延迟量在λ/4和-λ/4间变化，分别探测两路光强值。这大大提高了其响应速度。

图1 Stockes参量测量的LCVR调制法检测激光偏振态原理图

鉴于实验中所使用的激光器是808nm波长，参考PIN型硅光电二极管的光谱曲线及响应速度，实验采用的是S1223系列的S1223-01，相关参数如表1所示。

3 基于PIN型硅光电二极管的光强采集电路

3.1 PIN型硅光电二极管简介及选型

光学检偏系统限制了光强探测器件的大小，PIN型硅光电二极管体积较小，便于集成；而且PIN型硅光电二极管有诸多优点:频带宽、灵敏度高、线性输出范围宽、噪声低；满足同等实验条件的情况下，相较于CCD等光电探测器件，PIN型硅光电二极管的成本较低。

PIN型硅光电二极管其实是一种反向偏置的半导体二极管，在P型半导体之间夹杂一层本征半导体即高阻区I。由于I区很厚，入射光很容易被材料内部吸收，衍生出大量电子-空穴对，因而显著提高了光-电转换效率。另外，位于两侧的P区和N区很薄，吸收的入射光较少，相对来说I区占据大部分耗尽层，因而光生电流中的漂移分量占较大比重，

表1 S1223-01的相关参数

3.2 光强探测电路的设计

当激光照射PIN型硅光电二极管时，会产生与光照度成比例的微弱电流。其中，暗电流及背景光引起的噪声电流约10nA～80nA（0～10Hz），这部分噪声可以利用滤波器滤除。另外，还要防止运算放大器出现自激震荡影响探测精度，可采用稳压电源给集成运算放大器供电，并在稳压电源的输入端和输出端分别加一合适的补偿电容［2］。

图2 一路光强探测电路设计

一路光强探测电路如图2所示。该电路分为PIN光电二极管前置放大电路和A/D变换两部分，PIN光电二级管的前置放大电路由四部分组成，第I部分为I-V变换电路，反馈电阻Rf与电容Cf组成反馈网络反馈补偿网络，Cf使电路更加稳定避免出现振荡现象；R1作为补偿电阻，用来降低运放输入电流引起的偏置效应，同时并联C1消除R1引起的噪声干扰。第II部分为无源二阶RC滤波电路，滤除输出电信号的噪声干扰。第III部分为主放大电路，反馈电阻为数字电位器ISL23328，可以根据需要控制放大倍数，控制器通过IIC控制ISL23328工作，每个ISL23328封装了两个数字电位器，并且每个电位器有128个电阻抽头，阻值最大为10kΩ。RLn是低端，RWn是滑动端，控制器对ISL23328进行写操作，根据写入数据大小配置RLn和RWn之间的阻值大小。第IV部分为跟随电路进行阻抗匹配。前置放大电路采用低偏置、高速率的四运OP467，减少了运放的噪声干扰。最后将经过前置放大电路处理的电信号接入A/D转换器AD7606-4，AD7606是一款高分辨率、高采样率的模数转换器，探头包含两路光强探测电路，因此AD7607-4即可满足双通道A/D转换的要求，且该转换器内部集成了模拟输入箝位保护、模拟输入阻抗缓冲器、二阶抗混叠模拟滤波器等功能，保证了光强探测的精度及实时性。

4 整体设计及实验测量

设计了如图3所示的激光偏振态探头，利用该探头对波长为808nm的激光器进行偏振态检测，实验中对LCVR的控制电压进行了校准，确定了LCVR相位延迟量为0、λ/4、-λ/4及λ/2时的上电电压如表2所示，进行多次试验取平均值作为试验结果，所得数据如表3所示，偏振光的理论值如表4所示。

图3 激光偏振态探头

表2 相位延迟器上电电压

表3 实验测试结果

表4 偏振光的斯托克斯各参量理论值

对照偏振光的斯托克斯参量理论值，我们取测量所得结果的最大误差作为系统误差，可得系统误差为1.11%。

5 结论

探头采用美国Meadowlark公司生产的LCVR，它自带补偿功能，具有650～950nm宽波长响应范围，调制电压为0～20V真有效值，通过实验数据可知该激光偏振态测量探头可以精确的测量出入射激光的偏振信息。而且探头是集成化的设计，实验操作时光路搭建非常容易，探头的控制与数据显示均可在上位机上完成，人机交互非常友好。

［1］ 廖延彪.偏振光学［M］.北京:科学出版社，2003: 231-262.［2］ 赵海丽，王晓曼，姜会林，等.基于液晶的激光偏振测量系统研究［J］.仪器仪表学报，2010，31（2）:416-419.

［4］ 李志刚，赵海丽，刘鹏，等.晶体旋光率测量系统［J］.光电工程，2015，42（7）:78-82.

［5］ 李远明，陈文涛.微弱光信号前置放大电路设计［J］.电子元器件应用，2007，9（8）:51-53.

［6］ 张立媛，臧景峰，刘鹏，等.一种空间偏振目标制导方法研究［J］.长春理工大学学报:自然科学版，2015，32（1）:65-69.

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The Laser Polarization State Probe Based on PIN Type Silicon Photodiode

LIU Peng1，WANG Shupeng2，LI Ling2，SUN Bo3，ZHAO Haili2
（1.The Institute of Space Optics and Electronics，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Electronic information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；3.Changchun Company of New Industry Photoelectric Technology，Changchun 130103）

PIN type silicon photodiode has the advantages of high sensitivity，high stability，high response speed，small volume and low cost.This research mainly studied the application of the light intensity detection circuit based on the PIN type silicon photodiode in the laser polarization state measurement system And the study used the LCVR modulation method to measure the Stockes parameters.The light intensity detection circuit and the optical detection system are packaged together to form a laser polarization state measuring probe.the probe with STM32F103 as the controller，through the USB protocol to achieve data transmission between the host computer and the controller.Using the probe to complete the measurement of the polarization state of 809nm laser，the experimental results show that the accuracy of the measurement circuit of the light intensity is maintained at 0%.The polarization state measuring probe has the advantages of simple structure，high measuring accuracy，small volume，convenient human computer interactive operation and simple manipulation.

PIN type silicon photodiode；Stockes parameter；polarization state；probe

TN247

A

1672-9870（2016）05-0009-04

2016-08-16

吉林省科技厅攻关项目（20140204035GX）

刘鹏（1982.6-），男，博士，讲师，E-mail:liup@cust.edu.cn